深井电磁波随钻通信原理介绍

深井电磁波随钻通信原理介绍

一、电磁波无线随钻仪发展概况

随着定向井、水平井、分支井及大位移水平井等特殊工艺钻井技术的迅猛发展及老油区复杂区块和薄油层开发力度的加大，传统的泥浆脉冲传输方式的不足之处越来越突出。泥浆脉冲传输方式技术虽然应用广泛,但数据传输速率较慢,信息量较小,传输信号易受钻井液的质量和泵的不均匀性影响.要求钻井液的含砂量≤l%,含气量≤7%.当使用可压缩性钻井介质时,会导致压力波信号变形,所以在欠平衡钻井条件下适用性很差。
电磁波传输方式是将反映井底轨迹方向,地层特性参数的低频电磁波信号传送到地面.钻井过程中,钻杆,裸露的井壁和它们之间的空间以及周围的地层共同组成了电磁波传输通道,电磁波从发射源向周围的无限空间辐射,由固定在钻机旁的地表天线接收.它不需要泥浆作为信号载体,对钻井液的质量和钻探泵的不均匀性要求更低,所以数据传输能力较强.其优点是不需要机械接收装置,系统稳定性好,对于欠平衡钻井工艺有更好的适应性。它的缺点是：背景噪声对信号的影响较大,而且随着岩层对信号的吸收和大地电阻的变化导致信号的衰减,导致发送电路复杂程度提高。目前，这些问题已经都得到了较好的解决。背景噪声大的问题通过比较先进的可编程滤波的方法，使背景噪声得到了彻底的抑制。信号衰减大的问题，是采用自动阻抗适应系统解决的。

电磁波法可追溯到20世纪40年代初期,最早应用于煤矿安全和军事方面.俄罗斯是较早开展电磁波随钻测量系统研制的国家之一,他们把MWD系统称为电磁波通道井底遥测系统.
国外已经成功利用电磁波MWD技术传输井下测量信号随钻仪器得到广泛利用。国内也进行了大胆尝试，利用MWD技术把探管传感器测出的井斜、方位、重力和、重力工具面角、工具面角、温度、电池电压以及地层参数实时的用电磁波发送到地面。并在遥控遥测及双向传输方面有了突破性进展，由于采用了双向电磁波无线传输技术，大大的方便了对井下仪器的操控，可对井下设备进行遥控，也可方便地对电磁波信道进行自检，对电源实施遥控管理，有效地提高了电源利用率。

二、电磁波无线随钻仪的工作原理

电磁波无线随钻仪有两种工作模式，即单向工作模式和双向工作模式。（1）单向工作模式，把地下（钻头部分）传感器采集到的数据，间歇地或者连续地发送到地面，由地面的仪 器接收解码还原出传感器测量出的各种动态数据。送给计算机串口并进行分析显示和打印。

地下部分由电源系统、无线发送系统和天线系统、传感器数据采集系统

、阻抗自动适应系统组成。电源系统由水轮发电机和充电电池组成，利用水的压力带动发电机进行发电，电机工作转速800～3000 r/ min时，输出±36V至±48V的直流电压。对发电机的要求：功率不得小于80W，充电电池放电电流不得小于3A。数据发送模块有三种调制方式：一是PWM脉冲宽度调制方式；二是窄脉冲调制方式；这种方式很有发展前景，使电磁能量瞬时超能量发送，最大的优点是节省电能，可以省去发电机。三是传统的正弦波传输调制方式，采用这种方式，接收电路比较简单，抗干扰能力较好。无论是那种调制方式，只要传输距离远，误码率最低才是最终目的。天线形式为偶极子电流方式。

通信距离是与发送天线所处的深度、工作频率、天线周围的电阻率有密切关系的。

天线的设计主要在于它的坚固程度，要求扭矩达到金属钻杆的90%以上。绝缘程度要高，要求在空气中电路值大于2MΩ。交流阻抗理论设计大于50Ω。（2）双向电磁波传输，是半双工通信方式，地面和地下都有电磁波收发电路，地面的发射部分有着比地下发射部分不受体积限制的优点，功率可以做的很大。

三、电磁波收发模块简介

模块简介：该模块主要用于油田电磁波无线测斜仪，进行地下与地面的无线双向数据通信，以达到深井遥控、遥测之目的。电路采用单片机波形合成法进行调制与解调，在极低频状态下，传输速率快，误码率低，可靠性高，传输距离远，电源采用优化管理技术节电优势得到了充分发挥。同时采用了阻抗自动适应系统，使其在不同深度和不同环境下，发送功率都能保持最佳状态。在温度适应方面，内部采用里了高导热散热器，外部采用温度隔离方式，以适应井下不同温度的工作环境的需要。

主要指标：模块外形尺寸：直径：32mm，长度：520mm。工作电压：DC±36V。最大发射功率：120W。待机电流：10mA。数据接口为232串口模式。传输速率：每秒5个16进制字符。传输深度：（试验深度）5Km。